基于GIS技術(shù)的高校內(nèi)建筑火災(zāi)人員疏散模型研究*

杜微微，張玉紅

（哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150025）

1 引言

近年來，校園火災(zāi)頻發(fā)，校園的消防安全也逐漸引起高校管理者的重視，促使了人力、物力投入的加大，也取得了一定的成果。但是，在高校大幅度擴招和后勤市場化改革之后，新時期的高校校園消防安全管理也面臨著新的挑戰(zhàn)。尤其是，國內(nèi)很多高校的校園建筑是上世紀的老舊建筑，電氣設(shè)備老化，耐火性能差，消防設(shè)施陳舊，建筑復(fù)雜度高；與此同時，在教育改革及科技進步的背景下，電腦、手機的應(yīng)用越來越廣泛，校園建筑物內(nèi)的電路負載不斷加大，校園安全隱患也日益突出。近期，國內(nèi)多所高校接連有火災(zāi)發(fā)生，導(dǎo)致了重大的生命和財產(chǎn)損失。高校建筑內(nèi)部人員密度大，而且存在大量易燃裝飾物、木質(zhì)課桌等，很容易導(dǎo)致火災(zāi)并隨之產(chǎn)生煙霧的蔓延。為此，在高校建筑火災(zāi)發(fā)生后，必須考慮逃生線路上所存在的火災(zāi)和煙霧危險，以及線路上的人員擁塞情況，設(shè)法實現(xiàn)疏散方案的動態(tài)調(diào)整，以保障火災(zāi)發(fā)生時高校建筑內(nèi)人員的順利逃生和獲救。

故此，本研究基于GIS技術(shù)，在空間、時間兩個維度上對高校建筑物內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生過程進行模擬，制定有針對性的高校建筑內(nèi)火災(zāi)災(zāi)情快速評估及人員疏散方案，以輔助高校建筑內(nèi)部火災(zāi)災(zāi)害的預(yù)防與減災(zāi)。

2 火災(zāi)場景空間模型構(gòu)建

2.1 火災(zāi)場景幾何分解

高校建筑火災(zāi)救援中的幾何模型是指建立起與高校建筑真實布局與計算機模型之間的對應(yīng)關(guān)系，使用計算機語言進行高校建筑布局特征的描述。在使用GIS技術(shù)進行高校建筑內(nèi)幾何場景進行分解時，首先需要通過高校內(nèi)建筑幾何模型的分解，實現(xiàn)高校建筑連續(xù)幾何空間的離散化描述，使用圖論等理論進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是火災(zāi)疏散模型研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前常見的建筑內(nèi)部場景解析方案如圖1所示。

圖1 高校內(nèi)建筑幾何模型解析

計算幾何模型分為粗細兩種類型的網(wǎng)絡(luò)模型。在粗網(wǎng)絡(luò)模型中，將高校建筑物內(nèi)的房間作為圖中的節(jié)點，這些節(jié)點的連接通道作為圖中的弧段。這種方式在于計算簡單，可在宏觀上把控疏散特征，其缺點在于過于抽象，難以對高校建筑內(nèi)人員軌跡進行精確跟蹤。細網(wǎng)絡(luò)模型采用圓形、六邊形或矩形等形式對建筑空間進行更加細致的劃分，劃分的粒度保證每個節(jié)點無法被兩個以上的人同時占據(jù)。由于高校建筑物內(nèi)的人員數(shù)量較多，若幾何節(jié)點過于抽象，難以實現(xiàn)人員軌跡的精確跟蹤，為此在本模型中，使用細網(wǎng)模型進行火災(zāi)場景解析。

2.2 空間模型節(jié)點描述

合理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于計算機存儲空間的優(yōu)化，和有利于提高程序的運行效率。由于所采用的建筑內(nèi)空間的網(wǎng)狀幾何模型的數(shù)據(jù)量大，節(jié)點間的聯(lián)系非常靈活。因此，針對建筑空間的網(wǎng)狀幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。通過對圖形結(jié)構(gòu)特征的分析可以看出，節(jié)點應(yīng)具備一定的可擴展性，以適應(yīng)不同情形的屬性。為此，選用如下的結(jié)構(gòu)體，對圖形節(jié)點進行描述：

其中，no中保存集結(jié)點編號，DATA為用戶自定義數(shù)據(jù)類型，例如表示建筑物內(nèi)某個具體房間內(nèi)空間節(jié)點的空間坐標、節(jié)點類型、節(jié)點半徑、此時是否有人占據(jù)該節(jié)點的標志等。

對于網(wǎng)絡(luò)中的弧而言，考慮到弧的弧長和權(quán)值等因素，也需要將圖形結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計為可擴展形式，與網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點類似，利用EDEG結(jié)構(gòu)體存儲網(wǎng)絡(luò)中的弧信息：

其中ori_no變量存儲網(wǎng)絡(luò)中的弧起始節(jié)點編號；dest_no存儲網(wǎng)絡(luò)中的弧終端節(jié)點編號；data變量存儲邊的描述信息。

在網(wǎng)狀幾何模型的存儲過程中，除了需要對網(wǎng)絡(luò)的點和弧信息進行存儲以外，還需要對節(jié)點間的組織連接方式進行設(shè)計。當(dāng)前常見的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲方式包括鄰接矩陣、鄰接表和鄰接多重表等方式。如果圖中的弧數(shù)量遠少于節(jié)點數(shù)量時，使用鄰接矩陣的方式存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將會導(dǎo)致大量零元素的存在，導(dǎo)致存儲空間的浪費。鄰接表可節(jié)省存儲空間，而且與鄰接多重表相比，其結(jié)構(gòu)更加簡單，查詢和便利功能也更加易于實現(xiàn)，也更加符合常規(guī)思維方式。為此，本模型選用鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其連接方式進行存儲。

鄰接表的核心就是針對網(wǎng)路中的每個節(jié)點建立鏈表，鏈表中存儲了節(jié)點間的弧信息。網(wǎng)絡(luò)的鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體描述如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式

圖2的左邊為網(wǎng)絡(luò)的具體形式，右邊為相應(yīng)圖形的鏈表結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式。采用如圖2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可對建筑物內(nèi)的幾何模型節(jié)點進行描述。?

2.3 基于GIS技術(shù)的火災(zāi)場景空間解析

如上所示，通過計算集合模型的設(shè)計和存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲，可以根據(jù)高校建筑物內(nèi)的幾何信息，生成由眾多節(jié)點所構(gòu)成的圖結(jié)構(gòu)，其中每個節(jié)點具有一定的面積，而且在火災(zāi)救援過程模擬時，可以被且僅被1個人所占據(jù)。人員可以通過節(jié)點間的連接弧，實現(xiàn)節(jié)點間的移動。對于高校內(nèi)不同建筑物的布局，每個節(jié)點可以是出口、梯段等不同類型的節(jié)點，每條弧都有長度等擴展屬性。圖形結(jié)構(gòu)不僅可以用于建筑內(nèi)集合空間拓撲關(guān)系的描述，同時也存儲了高校建筑物內(nèi)空間布局的相關(guān)信息。

針對建筑物內(nèi)空間平面的具體布局情況，可以使用GIS技術(shù)自動生成對應(yīng)的計算機圖結(jié)構(gòu)。每個高校建筑內(nèi)平面空間可被看作一系列計算機圖結(jié)構(gòu)的集合。用GIS文件實現(xiàn)對圖形的訪問。

使用GIS技術(shù)對建筑平面空間信息進行解析的算法設(shè)計如下：

①指定建筑內(nèi)平面空間的任意節(jié)點P0，將P0節(jié)點加入到節(jié)點列表中；

②以P0節(jié)點為起點，按照順時針方向進行搜索，如果未遇到障礙物，則建立新節(jié)點，并將節(jié)點加入到節(jié)點列表中，同時根據(jù)搜索情況，在計算機圖形結(jié)構(gòu)中加入相應(yīng)的弧信息，如果在該搜索方向上已經(jīng)存在節(jié)點，或無足夠有效空間，則執(zhí)行下一個搜索方向，若該節(jié)點的所有方向搜索完畢，則跳轉(zhuǎn)到對下一個節(jié)點進行處理；

③遍歷所有節(jié)點列表，直到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點均處理完畢為止，至此完成整個建筑幾何空間的搜索建模。

上述過程整體描述如圖3所示。

圖3 建筑幾何平面節(jié)點解析過程

在得到GIS技術(shù)解析后，最終的建筑幾何平面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于GIS技術(shù)解析的建筑幾何平面結(jié)構(gòu)圖

3 建筑火災(zāi)人員疏散模型構(gòu)建

在完成建筑幾何平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)劃分后，結(jié)合圖結(jié)構(gòu)計算模型，可采用Bellman-Ford-Moore算法、Dijkstra算法和A*算法等方式對建筑內(nèi)人員疏散路徑進行分析，進而生成建筑火災(zāi)人員疏散模型。同時，由于建筑內(nèi)人員疏散過程的復(fù)雜性，簡單的疏散路徑分析方法無法充分體現(xiàn)高校建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后建筑內(nèi)人員的真實疏散情形。為此，需要不斷進行規(guī)則的修改、完善和增強，不斷健全建筑內(nèi)人員疏散過程的推理機制。

3.1 疏散線路選擇

在上述疏散路徑生成算法中，Bellman-Ford-Moore算法是公認最好的賦權(quán)路徑算法，但是其計算量較大，收斂速度偏低；Dijkstra算法起點為中心，不斷線網(wǎng)擴展，直到擴展到終點幾點為止，該算法需要計算的節(jié)點較多，效率偏低，不適合高校大型建筑節(jié)點數(shù)量眾多的場合；A*算法屬于最好優(yōu)先的啟發(fā)式圖搜索算法，利用啟發(fā)信息以提高路徑搜索效率。在運用A*算法進行疏散路線搜索時，將已經(jīng)計算得到的線路長度進行存儲，并根據(jù)長度對疏散路線進行排序，實現(xiàn)線路長短比較。由于建筑內(nèi)疏散路線的可選擇性較多，本模型中使用快速排序算法，以保證疏散路線選擇的性能。

在確定可達的疏散路徑后，在GIS空間中，按照可達的疏散路線生成平行帶狀多邊形緩沖區(qū)。分析緩沖區(qū)內(nèi)的煙氣、火勢分布情況，并判斷該可達疏散路線的危險性，以及線路上的人員擁擠程度，以規(guī)避高風(fēng)險和擁塞的疏散線路。

3.2 疏散策略調(diào)整

通過上述分析，基于對疏散路徑的可達性、危險性和擁塞程度的了解，就可對已有的疏散策略進行調(diào)整，選擇其他可達的、危險性低和擁塞程度低的疏散路徑，確保能夠及時從火災(zāi)建筑中撤離。

疏散策略調(diào)整的量化判斷條件如下式所示：

其中，flow_rate為建筑內(nèi)的人群整體移動速度，取值[0.1,0.3]區(qū)間。若該疏散路徑具有較高的危險度或擁塞度，則下式成立：

其中，F(xiàn)ireNodes、SmokeNodes、PeopleNodes分別表示疏散路徑上的著火節(jié)點、煙氣覆蓋節(jié)點和人員占領(lǐng)節(jié)點。通過如上疏散路徑判別公式的設(shè)計，使得高校建筑火災(zāi)救援中的行為更加真實，也可以科學(xué)合理地指導(dǎo)建筑內(nèi)人員的逃生。

在本模型的研究中，在圖結(jié)構(gòu)計算模型基礎(chǔ)上，主要利用A*算法，求解兩點間的最短路徑，其具體實現(xiàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 A*算法的最短路徑搜索結(jié)果

通過對建筑內(nèi)幾何平面關(guān)鍵點的A*算法最短路徑的結(jié)合，并且根據(jù)疏散策略調(diào)整結(jié)果，最終形成如圖6所示的建筑火災(zāi)人員疏散模型，以指導(dǎo)高校建筑火災(zāi)發(fā)生時建筑內(nèi)人員的逃生。

圖6 建筑火災(zāi)人員疏散模型

4 結(jié)束語

火災(zāi)是危害社會公眾安全的主要災(zāi)害之一，建筑火災(zāi)中的建筑空間布局、電能失效、濃煙、人員動態(tài)等因素影響著人們快速撤離火場的效率。所提出的建筑火災(zāi)人員快速疏散模型可真實體現(xiàn)高校建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后建筑內(nèi)人員的真實疏散情形，有助于不斷健全建筑內(nèi)人員疏散過程的推理機制，確保在火災(zāi)中及時安全撤離，將損失降至最低。